CN112665707A - 一种变压器短路冲击后累积效应及诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变压器短路冲击后累积效应及诊断方法，其技术特点是：对变压器开展短路冲击试验，提取变压器短路冲击后累积效应的振动特征量；变压器短路冲击后累积效应诊断。本发明设计合理，其通过对三相变压器开展短路冲击试验，并在在试验的过程中记录记录变压器的振动特征参量，即振动熵、主频比和半频比，通过振动特征参量数据得出不同故障类型对于各个振动特征参量的影响，从而实现对变压器的故障进行诊断，对电力系统的安全运行有着重要意义。

Description

一种变压器短路冲击后累积效应及诊断方法

技术领域

本发明属于输变电设备运维领域，涉及变压器故障诊断，尤其是变压器短路冲击后累积效应及诊断方法。

背景技术

电力变压器作为电力系统的枢纽设备，其安全稳定运行对于电网可靠性具有重要意义。在电网运行过程中，变压器事故多次发生，其中，约41％的变压器事故涉及绕组故障，主要原因为绕组抗短路能力不足。变压器遭受外部短路故障时，高幅值的短路冲击电流在绕组上产生巨大的洛伦兹力，引起绝缘材料塑性变形、磨损等，将进一步增加压紧力不足、匝间短路等故障出现的概率，降低绕组的抗短路能力。

短路冲击对绝缘材料和电磁线具有力、热累积效应。绕组机械状态在短路冲击后出现变化，相应的也会影响振动信号的特征。暂态振动信号受其他因素影响小，信噪比高，能较好的反映多次短路冲击时绕组的机械状态。目前对短路冲击下绕组振动机理和特性的研究不够完善，暂态声振信号的状态信息利用仍然不够充分，需要进一步从绕组振动特性入手深入研究短路冲击下绕组的振动响应，及多次短路冲击过程中振动信号的变化规律。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种能够对变压器的故障进行诊断的变压器短路冲击后累积效应及诊断方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种变压器短路冲击后累积效应及诊断方法，包括以下步骤：

步骤1、对变压器开展短路冲击试验，提取变压器短路冲击后累积效应的振动特征量。

步骤2、变压器短路冲击后累积效应诊断。

而且，所述步骤1的具体实现方法为：首先采用三相变压器开展短路冲击试验，短路冲击试验的接线为三相电源连接三相变压器的三角形绕组，断路器连接三相变压器的星形绕组，然后进行后短路试验，对变压器绕组的良好、松动和变形状态分别进行多组试验；在试验的过程中采集电流波形以及振动信号，每组试验结束后测量每相绕组的短路阻抗值，并计算每组实验的振动特征向量。

而且，所述电流波形以及振动信号通过触发采集方式采集，所述触发采集方式为：分别在三相绕组对应的1/2油箱高度位置处布置多个振动测点，所述振动测点在高压套管出线侧自右向左布置，在低压套管出线侧自左向右布置；在高压套管出线侧和低压套管出线侧正对中间的位置布置传声器测点。

而且，所述振动特征量包括振动熵、主频比及半频比，所述振动熵的计算公式为：

其中

其中E_i为某一频率的信号能量，A_j为某一频率某一时刻的幅值；

所述主频比的计算公式为：

其中，E₂为频率为50HZ的信号的能量，E₄为频率为100HZ的信号的能量；

所述半频比的计算公式为：

而且，所述步骤2的实现方法为：绘制出短路阻抗、振动熵、主频比和半频比的变化曲线图，并根据曲线图得出变压器的故障诊断方法，包括以下步骤：

①当振动熵数值稳定处于0.4以下时，则变压器的绕组处于健康状态；

②当振动熵、主频比和半频比发生跃变时，即主频比降低，半频比和振动熵增大，说明变压器的绕组出现松动的情况；

③当振动熵、主频比和半频比发生跃变后，振动熵和半频比皆有所上升，主频比先增加后减小，说明变压器的绕组松动及变形同时出现，当振动熵及半频比降低，主频比增大，说明此时变压器的绕组松动与变形现象同时发生，且变形引起特征值的变化大于松动；

④当振动熵、主频比和半频比出现大幅度往复变化或短路阻抗变化超过2％时，说明绕组状态已经完全损坏。

本发明的优点和积极效果是：

本发明通过对三相变压器开展短路冲击试验，并在在试验的过程中记录记录变压器的振动特征参量，即振动熵、主频比和半频比，通过振动特征参量数据得出不同故障类型对于各个振动特征参量的影响，从而实现对变压器的故障进行诊断。

附图说明

图1为高压套管侧振动测点分布图。

图2为低压套管侧振动测点分布图。

图3为前14次短路冲击试验中震动特征值的变化规律曲线图。

图4为14-22次短路冲击试验中震动特征值的变化规律曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

步骤1、对变压器开展短路冲击试验，提取变压器短路冲击后累积效应的振动特征量。

本步骤中，采用三相变压器开展短路冲击试验，优选采用400V三相缩比模型变压器，400V三相缩比模型变压器的参数如表1所示。

表1变压器参数

400V三相缩比模型变压器属于I类变压器(25kVA～2500kVA额定容量)，且高低压绕组独立，适合进行三相短路，短路试验持续时间为0.5秒，允许偏差为±10％，短路冲击试验的接线为三相电源连接三相变压器的三角形绕组，断路器连接三相变压器的星形绕组，然后进行后短路试验(即绕组的短路在变压器另一绕组施加电压后进行)，

对变压器绕组的不同状态：良好、松动和变形，分别进行多组试验，在试验的过程中以触发采集方式同时记录电流波形以及振动信号，所述触发采集方式为分别在三相绕组对应的1/2油箱高度位置处布置6个振动测点，为了方便对比，其中3个振动测点在高压套管出线侧自右向左布置，另外三个振动测点在低压套管出线侧自左向右布置；在高压套管出线侧和低压套管出线侧正对中间的位置布置传声器测点，优选的传声器测点采用加速度传感器进行检测，所述加速度传感器的参数如表2所示。

表2加速度传感器参数

每组试验结束后测量每相绕组的短路阻抗值。

为了完整地模拟了变压器绕组状态“良好-松动-变形”的损坏过程，变压器短路冲击试验总共进行了22次，分为5期，如表3所示。在试验过程中，为了判断绕组松动故障下暂态+振动信号的变化规律，在第2期(第6次)以及第3期(第9次)短路冲击试验前对绕组进行两种程度的人为松动。在第4期以及第5期试验中，为了加速绕组变形，加大短路电流幅值，延长短路持续时间，最终在第22次短路冲击后绕组机械状态彻底损坏，短路阻抗变化超过2％。

表3短路冲击工况

每组试验结束后计算每组实验的振动特征向量，所述振动特征量包括振动熵、主频比及半频比。

所述振动熵根据两体模型及弹性体模型的多倍频振动现象，结合振动机理研究以及暂态振动特性试验提出的，其表征时频图分布复杂情况的振动特征参量，定义为某一频率的整个时域信号的能量值与整个频域能量总和的比值：

式中：E_i为某一频率的信号能量，等于该频率处整个时域上幅值的平方和；A_j为某一频率某一时刻的幅值。由于在短路冲击时存在机电耦合作用及非线性作用，会导致参变共振以及超、亚谐共振，且信号主要集中在0-1000Hz以内，因此本文中主要针对频率为25iHz(i＝1,2,…,40)这40个频率点。为了使得振动熵数值区间为[0,1]，在关心的频带内，振动熵的计算公式为：

且振动熵的值越接近于0，说明暂态振动信号能量越集中，时频图越简单；振动熵的值越接近于1，说明信号能量越分散，时频图越复杂。

在绕组短路冲击激励的基本解中，包含50Hz及100Hz的频率分量，因此定义50Hz及100Hz为暂态声振信号的主频，则主频能量占比即主频比计算公式为：

其中，E₂为频率为50HZ的信号的能量，E₄为频率为100HZ的信号的能量。

由于存在机电耦合作用，当绕组模态满足一定条件时，暂态声振信号中会出现参变共振，其明显特征为25Hz的奇数倍频，因此定义25Hz，75Hz，125Hz，…，975Hz等20个频率为半频，则半频比的计算公式为：

步骤2、变压器短路冲击后累积效应诊断。

本步骤的具体实现方法为：绘制出短路阻抗、振动熵、主频比和半频比的变化曲线图，根据曲线图分别讨论不同故障类型对于各个振动特征参量的影响：

1)短路阻抗是以第一次短路冲击试验前状态为基准。可以发现基于暂态振动信号的振动特征参量明显比标准中规定的短路阻抗法灵敏，后者在变压器绕组已经发生严重变形的情况下仍然未超过规定允许值2％。

2)第1期5次短路冲击振动熵约0.3，说明在变压器绕组状态健康情况下，暂态声振能量主要集中于50Hz及100Hz，机电耦合作用较小，材料非线性不明显，很少出现参变共振以及超、亚谐共振现象。

3)实验变压器绕组松动后(第6次试验)，振动特征参量发生跃变，主频比降低，半频比和振动熵增大。这说明变压器绕组的松动所导致的模态频率下降使得机电耦合作用及材料非线性变强，声振能量变得更加分散。

4)变压器绕组再次松动后(第9次试验)，振动特征参量同样发生跃变，其中振动熵及半频比进一步增大，主频比继续下降。

5)第4期初次试验(第15次)各振动特征参量皆有上升，说明此时变压器绕组松动及变形同时出现。随后的4次短路冲击(16-19次)中主频比先增加后减小。

6)第5期初次试验(第20次)振动熵及半频比降低，主频比增大，说明此时变压器绕组松动与变形同时发生，且变形引起特征值的变化大于松动。随后两次试验三个振动特征参量大幅度往复变化，此时绕组状态已经完全损坏。

综上可知，变压器绕组遭受短路冲击而损坏是一个累积过程：最初由于绝缘材料产生塑性变形，一般发生松动故障，振动熵及半频比增大，而主频比下降；随后产生轻微的变形并逐渐累积，最终绕组随着松动及变形的加重而彻底损毁，期间伴随着振动特征参量的大幅度变化。由此总结出变压器的故障诊断方法：

①当振动熵数值稳定处于0.4以下时，则变压器的绕组处于健康状态。

②当振动熵、主频比和半频比发生跃变时，即主频比降低，半频比和振动熵增大，说明变压器的绕组出现松动的情况。

③当振动熵、主频比和半频比发生跃变后，振动熵和半频比皆有所上升，主频比先增加后减小，说明变压器的绕组松动及变形同时出现，当振动熵及半频比降低，主频比增大，说明此时变压器的绕组松动与变形现象同时发生，且变形引起特征值的变化大于松动。

④当振动熵、主频比和半频比出现大幅度往复变化或短路阻抗变化超过2％时，说明绕组状态已经完全损坏。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种变压器短路冲击后累积效应及诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、对变压器开展短路冲击试验，提取变压器短路冲击后累积效应的振动特征量；

步骤2、变压器短路冲击后累积效应诊断。

2.根据权利要求1所述的一种变压器短路冲击后累积效应及诊断方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现方法为：首先采用三相变压器开展短路冲击试验，短路冲击试验的接线为三相电源连接三相变压器的三角形绕组，断路器连接三相变压器的星形绕组，然后进行后短路试验，对变压器绕组的良好、松动和变形状态分别进行多组试验；在试验的过程中采集电流波形以及振动信号，每组试验结束后测量每相绕组的短路阻抗值，并计算每组实验的振动特征向量。

3.根据权利要求2所述的一种变压器短路冲击后累积效应及诊断方法，其特征在于：所述电流波形以及振动信号通过触发采集方式采集，所述触发采集方式为：分别在三相绕组对应的1/2油箱高度位置处布置多个振动测点，所述振动测点在高压套管出线侧自右向左布置，在低压套管出线侧自左向右布置；在高压套管出线侧和低压套管出线侧正对中间的位置布置传声器测点。

4.根据权利要求2所述的一种变压器短路冲击后累积效应及诊断方法，其特征在于：所述振动特征量包括振动熵、主频比及半频比，所述振动熵的计算公式为：

其中

其中E_i为某一频率的信号能量，A_j为某一频率某一时刻的幅值；

所述主频比的计算公式为：

其中，E₂为频率为50HZ的信号的能量，E₄为频率为100HZ的信号的能量；

所述半频比的计算公式为：

5.根据权利要求1所述的一种变压器短路冲击后累积效应及诊断方法，其特征在于：所述步骤2的实现方法为：绘制出短路阻抗、振动熵、主频比和半频比的变化曲线图，并根据曲线图得出变压器的故障诊断方法，包括以下步骤：

①当振动熵数值稳定处于0.4以下时，则变压器的绕组处于健康状态；

②当振动熵、主频比和半频比发生跃变时，即主频比降低，半频比和振动熵增大，说明变压器的绕组出现松动的情况；

③当振动熵、主频比和半频比发生跃变后，振动熵和半频比皆有所上升，主频比先增加后减小，说明变压器的绕组松动及变形同时出现，当振动熵及半频比降低，主频比增大，说明此时变压器的绕组松动与变形现象同时发生，且变形引起特征值的变化大于松动；

④当振动熵、主频比和半频比出现大幅度往复变化或短路阻抗变化超过2％时，说明绕组状态已经完全损坏。

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